JP3538639B2 - 移動マニピュレータの遠隔操作装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動体に取り付け
られたマニピュレータを遠隔地から操作する移動マニピ
ュレータの遠隔操作装置に関し、特にこの移動体に搭載
したビデオカメラによりマニピュレータの作動状態を撮
影し、利用者がモニターのカメラ映像を見ながらマニピ
ュレータを操作する移動マニピュレータの遠隔操作装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば人間が近づくことが好ましくない
原子力プラント内での作業や、火山活動が活発な場所で
の各種作業、水中での作業、更には宇宙での作業等、人
間が直接作業をすることが困難な場所では、ロボットマ
ニピュレータを使用し、操作を行う人がこのマニピュレ
ータの動きを見ながら遠隔作業を行うことが好ましい。
特に、このマニピュレータを移動体に固定し、移動体を
操縦しながらマニピュレータを操作することは、その作
業範囲を拡大しマニピュレータの利用範囲も広がるた
め、その利用性を向上させる研究開発が期待されてい
る。

【０００３】一般にロボットアームとしてのマニピュレ
ータを上記のように遠隔操作する際には、操縦者は意図
したとおりに作業が遂行しているのを確認したり、また
は予期しない事態に対して修正動作を行なう等のために
マニピュレータの動きを見る必要があるが、特にこのマ
ニピュレータが遠隔地である場合、あるいは操作を行う
場所とマニピュレータで作業を行う場所との間に取り除
くことができない隔壁がある場合には、例えば図２に示
すように、マニピュレータ２１の作業状況をビデオカメ
ラ２２で撮影し、撮影されたカメラ映像をモニター２３
に映しだして操縦者２４これを観察しながらジョイステ
ィック等のリモコン２５を操作してマニピュレータ２１
の物体の把持や移動操作を行うこととなる。

【０００４】一方、図２に示されるようにこのマニピュ
レータ２１が移動体２６に搭載されている場合は、操縦
者は更に移動体の操縦も行い、取り扱う物体までこの移
動体を移動させ、上記のようなマニピュレータによる操
作を行うと共に、必要に応じて物体を把持した状態で移
動体を移動させ、所定の場所に物体を搬送させ、あるい
は組み立てる等の作業を行う。上記のようにマニピュレ
ータが移動体に取り付けられている場合は、特に移動範
囲が大きくなるので移動体にビデオカメラを固定し、移
動体の移動に際しては移動体の近辺を撮影し、更にマニ
ピュレータの操作に際しては正確な操作を行うためにビ
デオカメラをズームアップする等、ビデオカメラも操作
しながら、ビデオカメラのこれらの映像に頼って各種作
業を行うという困難な作業を行う必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような移動体に
マニピュレータとビデオカメラを搭載し、操縦者がビデ
オカメラの映像をモニターで観察しながら操縦、操作を
行うものにおいて、特にマニピュレータの先端の把持部
で細かな操作を行うときには、ビデオカメラを把持部を
中心とする限られた範囲をズームアップし、モニターに
おける解像度を上げてこの部分に注意力を集中して把持
等の操作を行うこととなる。

【０００６】その結果、作業中に視界いっぱいに作業対
象物が広がっている場合や背景に特徴がなく一様な場合
には、マニピュレータを使って作業対象物に操作カを加
えた際に得られる搭載カメラからの映像情報は作業対象
物と移動マニピュレータとの相対的な運動だけであり、
作業対象物が動かされているのか、それとも移動マニピ
ュレータの方が動いたのかというような運動感覚を操縦
者が認識できないという問題が存在する。

【０００７】例えば、移動マニピュレータを操作して、
荷物をある場所から離れた場所へ搬送するとき移動マニ
ピュレータは、移動ベースの上に作業の遂行に充分な自
由度を有するマニピュレータと作業状況を観察するビデ
オカメラとを搭載し、操縦者は手先の周辺を撮影したカ
メラ画像を見ながらジョイスティックで必要な操作を行
う。このとき荷物を引っ張ろうとしたとき、荷物が固定
されていたり、操縦者が想像する以上に重い場合には、
ベースの移動機構（車輪等）と地面の間でスリップが生
じ、搬送すべき荷物を引き寄せるのではなく、ロボット
が荷物の方に引き寄せられてしまうことがある。このこ
とは荷物を押す場合も同様である。

【０００８】移動ロボットに搭載されたカメラは画角の
制限があるため、操縦者はマニピュレータの手先とその
周辺の限られた視界しか得られない。このとき、作業対
象物を動かした場合と、マニピュレータのベースがスリ
ップして動いた場合とでは、これらの相対的な運動には
差がないので、視界いっぱいに作業対象物が広がってい
る場合や、背景に特徴が無く一様である場合には、操縦
者の見ている画面上では両者がほとんど同じ動きに見え
る。実際にはスリップしてベースが動いても、操縦者は
自分の意図したとおりに操作対象物が動いたと錯覚する
可能性があり、的確な操作をすることが困難になる。

【０００９】これは水中探査ロボットや、宇宙マニピュ
レータなど、マニピュレータのベースの自由度の次元が
増え、しかも移動体が容易に移動してしまう場合には特
に重要な問題となる。例えば水中探査ロボットが海底の
岩石を拾おうとしてマニピュレータを伸ばし、岩石を持
ち上げようとする場合、岩石の重さや海底への固着具合
によっては逆に船体が海底に引き寄せられるということ
が起こりうる。このようなときに、船体が引き寄せられ
ていることを検出し、これを操縦者に提示することがで
きれば、操縦者は船体の姿勢を流体抵抗が大きくなるよ
うにしたり、スクリューの出力を調整する等の対処が可
能になる。

【００１０】このような問題に対して、遠隔地の移動マ
ニピュレータの状況を操縦者に提示する手法として、従
来は、例えば以下のような対策等が取られている。その
一つの方法としてビデオカメラのズーム機能を利用する
方法がある。即ちこの方法は、搭載カメラのズーム機能
を利用して、ズームインした狭視野角映像とズームアウ
トした広視野角映像とを繰り返しながら操縦者に提示す
る手法である。この方法によると、マニピュレータの操
作と同時にズーム機能の操作が必要になるとともに、ズ
ーム機能の操作中は距離感が変わるために操作対象物と
移動ロボットとの相対運動の認識が低下する欠点があ
る。

【００１１】第２の方法として、広視野角映像を同時に
表示する方法がある。この方法は、移動体に複数のカメ
ラを搭載し、ズームアウトした広視野角の映像を作業用
の狭視野角の映像と同時に操縦者に提示する手法であ
る。この方法によると、操作をする人は同時に２つ以上
の映像に意識を集中することは出来ないために、表示さ
れた２つの映像を必要に応じて視線を切り換えてみなけ
ればならず、頻繁な視線の変更を伴い作業性が低下する
欠点がある。

【００１２】第３の方法として、モニターに何らかのメ
ッセージを表示する方法がある。この方法は、移動機構
の運動を別途設けたセンサで検出して、作業中観察を続
けているモニターのカメラ映像画面上に移動の状態等の
センサ情報を表示する方法である。この方法はモニター
に表示されたカメラ映像へのメッセージの重ね書きとい
う簡便な方法で移動機構の運動情報を伝えることができ
る利点があるが、操作を行っている人はこのようなメッ
セージを見ただけでは、どの方向にどの位の運動が発生
しているかの情報を直感的に伝えることが困難であると
いう欠点がある。

【００１３】第４の方法として、警告音や音声ガイドを
出力する方法がある。この方法は、移動機構の運動をセ
ンサで検出して、警告音や合成音声によって操縦者に移
動機構の運動を提示する方法である。この方法は簡便な
装置の追加で移動機構の運動の発生を知らせることがで
きる利点があるが、どの方向に運動が発生しているか等
の細かな情報を伝えることが困難であるという欠点があ
る。

【００１４】第５の方法として、モーションプラットフ
ォームを用いる方法がある。この方法は、移動機構の運
動をセンサで検出して、航空機のフライトシミュレータ
や自動車のドライブシミュレータ等に使われているモー
ションプラットフォームを利用することで移動機構の運
動を模擬して操縦者に提示する方法である。この方法は
あたかも操縦者が移動機構に搭乗してマニピュレータを
操作しているような自然な感覚を提示することが可能で
ある利点があるが、大型で複雑な操縦装置が必要で高価
なものとなり、経済的にも広く普及させることは困難で
あるという欠点がある。

【００１５】このように従来から種々の方法が検討され
ているが、いずれも大きな欠点があるため、広範に利用
するには至っていない。

【００１６】したがって、本発明は移動体に搭載された
マニピュレータを遠隔地点から操作する際、移動体に設
けたビデオカメラによりマニピュレータ周辺を撮影し、
これを操縦者の側に設置したモニターに表示することに
よりマニピュレータを操作するに際して、移動体が予期
せぬスリップを行ったときモニター画面ではこれを明瞭
に見ることができないときでも、操縦者が実際に身体で
その状態を感じることができるようにした移動マニピュ
レータの遠隔操作装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、請求項１に係る発明は、移動体に取り付け
たマニピュレータを移動体に搭載したビデオカメラで撮
影し、この撮影映像を遠隔地のモニターに表示してマニ
ピュレータを操作部材で操縦する移動マニピュレータの
遠隔操作装置において、移動体のスリップを検出する移
動検出手段と、前記操作部材を移動自在に支持する操作
部材支持装置と、前記移動検出手段の信号に応じて前記
操作部材支持装置を移動する操作部材移動装置とを備え
たことを特徴とする移動マニピュレータの遠隔操作装置
としたものである。

【００１８】

【００１９】また、請求項２に係る発明は、前記操作部
材支持装置は直交ステージである請求項１記載の移動マ
ニピュレータの遠隔操作装置としたものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面に沿って説
明する。図１は本発明の実施例の第１の態様を示してお
り、同図においては前記図２に示すものと同様の、移動
体１にマニピュレータ２とビデオカメラ３を搭載した作
業装置を海底作業に用いた例を示しており、このマニピ
ュレータ２により海中の物体４を移動する作業を行うと
きの状態を示している。

【００２１】このように、利用者がその作業現場に近づ
くことが困難な場合には、同図に示すように例えば地上
の作業室内等の遠隔地に設置した利用者による操作部材
としてのジョイスティック５と前記作業装置とを接続
し、遠隔操作を行うこととなる。図示実施例において
は、ジョイスティック５の信号をジョイスティック信号
入力部６から作業装置に出力するようにしており、特に
移動体１の走行方向、走行速度を操作する移動体操作信
号７を移動体１に対して出力し、マニピュレータ２の各
アームの動き、及び把持部を操作するマニピュレータ操
作信号８をマニピュレータ２に対して出力し、移動体１
に搭載したビデオカメラ３の撮影方向及びズームの調節
を行うビデオカメラ操作信号９をビデオカメラ３に対し
て出力している。

【００２２】また、移動体１に搭載されたビデオカメラ
３の映像は、ジョイスティック５を操作している利用者
が見える位置に配置したモニター１１に、ビデオカメラ
映像入力部１０から入力し表示している。利用者はこの
映像に基づきジョイスティック５を操作し、前記のよう
に移動体１の操作、マニピュレータ２の操作、ビデオカ
メラ３の操作等を行う。

【００２３】更に、移動体１のスリップ量及びその方向
を検出するスリップ検出手段としてのスリップ量・方向
検出部１２が移動体に設けられ、その信号はＸ−Ｙステ
ージ駆動制御部１３に出力される。Ｘ−Ｙステージ駆動
制御部１３においては、入力した移動体のスリップ量及
び方向に応じて、利用者による操作部材であるジョイス
ティック５が搭載されている、操作部材支持装置として
のＸ−Ｙステージ１４を、スリップの状態と同様に駆動
制御する。前記Ｘ−Ｙステージ駆動制御部１３とこれに
関連する部分が、本発明における操作部材移動装置に相
当する。

【００２４】ジョイスティック５を搭載する直交ステー
ジとしてのＸ−Ｙステージ１４は図示実施例においては
卓上に容易に載置することができる程度の大きさの基台
１５を備え、その基台１５上にＹステージ１６を固定
し、Ｙステージ上の平行支持ロッド１７にＸステージ１
８を移動自在に設け、このＸステージ１８の平行支持ロ
ッド１９にジョイスティックケース２０を固定してい
る。ジョイスティックケース２０に揺動自在に設けたジ
ョイスティック５の頂面には各種のスイッチ２１を設
け、操作の切替等を任意に行うことができるようにして
いる。

【００２５】それにより、ジョイスティック５のスイッ
チ２１を適宜切り換え、またジョイスティック５を図示
するように任意の方向に移動することにより、前記のよ
うな各部の操作が可能となっている。なお、このような
Ｘ−Ｙステージは図示実施例においては理解しやすいよ
うに大きく示しているが、操作部材移動装置としてはジ
ョイスティックケースに内蔵できるほど小型化し、より
移動しやすいものとしても良い。

【００２６】上記のような装置を用いることにより、利
用者が物体４を把持し、あるいは押す等により移動作業
を行おうとしたとき、その物体４が予想外に重い等によ
って物体４が移動せずに移動体１がスリップして移動し
たときには、そのスリップの状態をスリップ量・方向検
出部１２で検出し、Ｘ−Ｙステージ駆動制御部１３がそ
の移動方向に応じてＸ−Ｙステージ１４を移動し、また
その移動量に所定の係数を乗じて移動を縮小した状態で
Ｘ−Ｙステージを移動する。なお、前記スリップ量・方
向検出部１２において、更に速度も検出し、スリップ速
度に所定の係数を乗じてＸ−Ｙステージを移動させる制
御を加えても良い。

【００２７】このような装置により、マニピュレータで
２で物体４を移動しようとしたとき、前記のように移動
体１がスリップした際には、そのスリップの状態と同様
にジョイスティックが移動するため、遠隔地の移動体の
運動を操作者の手首部分で受けて感じることによりフィ
ードバックされ、利用者はモニタ上ではわからない移動
体のスリップの状態を確実に知ることができる。このよ
うにして、操作物体とロボットとの相対運動だけでなく
絶対運動を知覚することができ、また視野外で移動体が
物体と接触したことも感知することができるため、操作
性をより向上することができる。また、このように体感
でその状態を知ることができるので、移動体の移動の状
態によっては操縦者はその操作を停止し、あるいは例え
ば海底作業船の推進力を上げて移動体が移動しないよう
にして物体を移動させるような操作を行うことができ
る。

【００２８】上記実施例においては、海底作業のように
平面上を移動する移動体の例を示したが、例えば宇宙空
間で３次元に移動する移動体に搭載したマニピュレータ
で作業を行う場合、あるいは水中で同様の３次元の作業
を行う場合にも本発明を適用することができ、その際に
は移動体の３次元の絶対座標で移動した状態を、他の直
交ステージとしてＸ−Ｙ−Ｚステージに支持したジョイ
スティックの移動に再現することによって、利用者に移
動体の３次元の状態を手首を介して体感で示すことがで
きる。

【００２９】

【発明の効果】本発明は上記のように構成したので、移
動体に搭載されたマニピュレータを遠隔地点から操作す
る際、移動体に設けたビデオカメラによりマニピュレー
タ周辺を撮影し、これを操縦者の側に設置したモニター
に表示することによりマニピュレータを操作するに際し
て、移動体が予期せぬ移動を行ったときモニター画面で
はこれを明瞭に見ることができないときでも、操縦者が
実際に身体でその状態を感じることができ、移動の状態
を容易に知ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるシステムの全体概要
を示すシステム模式図である。

【図２】本発明による移動マニピュレータの遠隔操縦装
置が適用される状態の全体概要を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 移動体 ２ マニピュレータ ３ ビデオカメラ ４ 物体 ５ ジョイスティック ６ ジョイスティック信号入力部 ７ 移動体操作信号 ８ マニピュレータ操作信号 ９ ビデオカメラ操作信号 １０ ビデオカメラ映像入力部 １１ モニター １２ スリップ量・方向検出部 １３ Ｘ−Ｙステージ駆動制御部 １４ Ｘ−Ｙステージ １５ 基台 １６ Ｙステージ １７ 平行支持ロッド １８ Ｘステージ １９ 平行支持ロッド ２０ ジョイスティックケース ２１ スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 久幸 茨城県つくば市並木１丁目２番地 経済 産業省 産業技術総合研究所 機械技術 研究所内 (56)参考文献 特開 平10−180657（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 3/00 G05D 3/12

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体に取り付けたマニピュレータを移
   動体に搭載したビデオカメラで撮影し、この撮影映像を
   遠隔地のモニターに表示してマニピュレータを操作部材
   で操縦する移動マニピュレータの遠隔操作装置におい
   て、移動体のスリップを検出する移動検出手段と、前記
   操作部材を移動自在に支持する操作部材支持装置と、前
   記移動検出手段の信号に応じて前記操作部材支持装置を
   移動する操作部材移動装置とを備えたことを特徴とする
   移動マニピュレータの遠隔操作装置。
2. 【請求項２】 前記操作部材支持装置は直交ステージで
   ある請求項１記載の移動マニピュレータの遠隔操作装
   置。